礦物摻合料對水泥砂漿強度和早期開裂的影響

付洪波

現代水泥混凝土向高強、高性能方向發展,但同時收縮開裂也已經成為現代混凝土劣化的主要因素,一般認為限制收縮是混凝土開裂的主要原因。邊界條件的約束變形會產生拉應力,一旦拉應力超過相應齡期的抗拉強度,混凝土就會發生開裂[1-3]。水泥基材料早期可見與不可見裂縫是裂縫擴展導致開裂的源頭,控制水泥基材料在約束條件下產生早期開裂是一個最本質、最敏感的問題[4,5]。

本研究籍自由收縮和多通道橢圓環收縮開裂測試手段,并輔以強度試驗綜合評價了粉煤灰、硅粉等礦物摻合料對水泥砂漿早期收縮開裂和強度的影響,優化出開裂敏感性相對較優的水泥基材料組成。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

水泥:北京拉法基42.5 MPa硅酸鹽水泥,密度為3.1 g/cm3;粉煤灰:漢川熱電廠的Ⅱ級粉煤灰;硅粉:挪威埃肯公司的微硅粉,密度為2.2 g/cm3;河砂:細度模數 2.5的中砂;水:自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 初始開裂時間測試方法

采用多通道橢圓環收縮開裂試驗來測試水泥砂漿的初始開裂時間[6,7],橢圓環試件膠砂比為 1∶2。借鑒 GB/T 17671-1999水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法),試件成型后放入溫度為(20±1)℃,RH≥90%的養護室中帶模養護18 h,然后脫去試件的橢圓環外模,在試件上表面涂上水玻璃以密封,以便干燥只能是從外表面發生。最后,將試件放入溫度為(20±3)℃,RH=(50±4)%的干燥室中養護,在試件的外表面涂上導電涂層帶以便與儀器的測試電路接通,同時測試初始開裂時間。

1.2.2 自由收縮測試方法

自由收縮試驗借鑒標準JC/T 603-1995水泥膠砂干縮試驗方法和GB 8076-1997混凝土外加劑,采用固定水膠比和水泥漿體量的方法來成型砂漿試件,試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm。

1.2.3 強度測試方法

砂漿強度試驗分為兩組:一組是潮濕養護條件下3 d,28 d的抗折和抗壓強度,另一組是干燥養護條件下初始開裂時抗折強度。在潮濕養護條件下,試件脫模后放入溫度為(20±1)℃的水中養護,測試3 d,28 d的砂漿抗折和抗壓強度;在干燥養護條件下,試件脫模后放入溫度為(20±3)℃,RH=(50±4)%的干燥室中養護,測試砂漿初始開裂時的抗折強度。

1.3 試驗設計

試驗分為兩個階段:第一步是通過正交試驗設計來優化水泥基材料組成,粉煤灰選40%,50%兩個水平,硅粉選0%,5%,8%和10%四個水平,選用3 d,28 d的抗折和抗壓強度作為考核指標;第二步是對優化的水泥基材料組成進行自由收縮、初始開裂時間及初始開裂時抗折強度試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 潮濕養護的砂漿強度

根據所選用的影響因素及水平數,試驗采用L8的混合正交表(即1個4水平因素和最多4個2水平因素的正交表)安排試驗,試驗方案與試驗結果見表1。

表1 試驗方案與試驗結果

分析表1試驗結果,各列K值和極差R的計算見表2。極差R的大小用來衡量試驗中相應因素作用的大小。從表2可見:

1)強度影響因素的主次關系為:粉煤灰＞硅粉。2)摻40%粉煤灰的強度均比摻50%粉煤灰的強度高,特別是對3 d抗折強度和28 d抗壓強度影響甚大。3)當硅粉摻量超過5%時,3 d抗折強度隨摻量增加而下降,對于28 d抗折強度和3 d抗壓強度影響甚小。由此可見,當硅粉摻量為5%以上、粉煤灰摻量為40%時對強度發展更有利,即優化的水泥基材料組成為Y3,Y5和 Y7。接下來對Y3,Y5和 Y7進行自由收縮、初始開裂時間及初始開裂時抗折強度試驗。

表2 各因素列3 d,28 d的抗折和抗壓強度之和與極差

2.2 自由收縮

從圖1可以看出,砂漿自由收縮在前7天增長很快,且砂漿自由收縮隨著硅粉摻量的增加而增大,主要是由于硅粉有超細的顆粒和很高的活性,可使砂漿的自由收縮增大[8]。當硅粉摻量為8%或10%時,砂漿自由收縮相差不大,且均比相應齡期時硅粉摻量為5%的砂漿自由收縮大很多,硅粉摻量為5%,8%和10%的砂漿的7 d自由收縮分別為283×10-6,565×10-6和634×10-6。

2.3 初始開裂時間

從圖2可以看出,砂漿初始開裂時間隨著硅粉摻量的增加而減小,當摻5%硅粉時,砂漿初始開裂時間最高,為70.8 h,這說明硅粉對水泥基材料的開裂敏感性有較大影響。結合砂漿自由收縮值分析可知,隨著硅粉摻量的增加,水泥基材料早期水化速度加快,加速了水泥基材料裂縫的出現,提高了水泥基材料的早期開裂敏感性。

2.4 初始開裂時抗折強度

通過硅粉摻量對砂漿初始開裂時抗折強度的影響可知:在干燥養護條件下,硅粉摻量為8%和10%的砂漿,其初始開裂時抗折強度幾乎沒有差別,但都要比硅粉摻量為5%的砂漿初始開裂時抗折強度低,即硅粉摻量為5%的砂漿早期開裂敏感性差,相對而言更不易開裂,這與砂漿初始開裂時間試驗結果是一致的。

3 結語

1)潮濕養護條件下,硅粉摻量為5%～10%,粉煤灰摻量為40%時對砂漿強度發展更有利。2)砂漿自由收縮隨著硅粉摻量的增加而增大。當粉煤灰摻量為40%,硅粉摻量為8%或10%時,砂漿自由收縮相差不大,且均比相應齡期時粉煤灰摻量為40%,硅粉摻量為5%的砂漿自由收縮大很多。3)硅粉對水泥基材料的開裂敏感性有較大影響,砂漿初始開裂時間隨著硅粉摻量的增加而減小。4)在干燥養護條件下,硅粉摻量為8%和10%的砂漿,其初始開裂時抗折強度幾乎沒有差別,但均比硅粉摻量為5%的砂漿初始開裂時抗折強度低。

[1] HE Zhen,ZHOU Xiang-min,LI Zong-jin.New experimental method for studying early-age cracking of cement-basedmaterials[J].ACI Materials Journal,2004,101(1):50-56.

[2] 張士海.膠凝材料體系對混凝土早期開裂的影響及評價方法研究[D].北京:清華大學土木系,2002:5.

[3] Ronit Bloom,Arnon Bentur.Free and restrained shrinkage of normal and high-strength concretes[J].ACI Materials Journal,1995,92(2):211-217.

[4] Richard W.Burrows.The visible and invisible cracking of concrete[A].Published by The American Concrete Institute,Farmington Hills,Michigan[C].1996:10.

[5] 黃國興,惠榮炎.混凝土的收縮[M].北京:中國鐵道出版社,1990.

[6] 梁文泉,王信剛,何 真,等.礦渣微粉摻量對混凝土收縮開裂的影響[J].武漢大學學報(工學版),2004,37(1):6-10.

[7] 彭衛兵,何 真,梁文泉,等.粉煤灰薄板結構混凝土收縮開裂試驗研究[J].混凝土,2003(1):35-38.

[8] 吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999:9.